Section de. Microtechnique TRAVAUX DE MASTER. présentés dans la section de microtechnique Sélection non exhaustive

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1 Section de Microtechnique TRAVAUX DE MASTER présentés dans la section de microtechnique Sélection non exhaustive

2 2 LISTE DES PROJETS Laboratoire d'optique Appliquée, Prof. René Salathé Switching of surface properties by applying an alternating Electric field on interdigitated structured electrodes, Bambad Afra 5 Laboratoire d'optique Biomédicale, Prof. Theo Lasser Combined OCT and fluorescence imaging, Cédric Blatter 6 Denoising of MRS Signals Using Wavelet Methods, Nicole Brüschweiler 7 Laboratoire d Imagerie Biomédicale, Prof. Michaël Unser Fitting of 3D-PSF models to fluorescent microbead stacks, Raphael Frey 8 Deconvolution en 3D Une extension ImageJ, Guillaume Schmit 9 Laboratoire de Microsystèmes, Prof. Martin Gijs Development of a Microfluidic Chip Including a Nanochannel for Resistive Pulse Detection, Mariam Benabderrazik 11 Realization of a microfluidic chip for optical detection of glucose / oxygen, Jonas Flueckiger 11 Laboratoire de Microsystèmes, Prof. Philippe Renaud Création d un modèle physiologique pour l amélioration de l encodage de la musique dans les implants cochléaires (IC), Florent Cosandier 12 Design, Fabrication et Caractérisation de micro-miroirs MEMS à actionnement magnétique, Camille Gabioud 13 Design and Fabrication of a Test Board for Electrophysiology Monitoring and MLS Dielectric Spectroscopy of Neurons on a 120-Electrodes MEA Biochip, David Schmid 14 Intégration de biocapteurs on chip pour l analyse d échantillons d eau contaminée en arsenic, Joël Theytaz 15 Laboratoire des microsystèmes pour les technologies spatiales, Prof. Herbert Shea Biologically inspired micro-drill for future planetary exploration, François Guélat 16 Laboratoire de Production Microtechnique, Prof. Jacques Jacot Conception d une nouvelle mire de calibration pour des systèmes de vision, Lionel Flaction 17 Système de vision pour le contrôle d état de surface de lames par scattering, Jonas Hiller 18 Mesure 3D par vision pour composants SMD à géométrie complexe, Stefan Perren 19 Concept of a sensor system for pastic film metallization, Stefan Schibli 20 Laboratoire de Production Microtechnique, Prof. Peter Ryser Characterization of a magnetic control system for a glucose biosensor, Céline Ramoni 21 Data fusion module, Patrick Schoeneich 22 Laboratoire de Systèmes Robotiques, Prof. Hannes Bleuler Design and development of a haptic interface for assistive manipulation of an electrostatic contactless gripper, Benjamin Burns, 23 Alternative Power Sources for Airplane Electrical Systems, Felipe Diaz 24 Investigation on material removal process in SACE glass machining Design of a force measuring set-up, Pascal Maillard 25 Modeling of an optical MEMS, Yoram Mass 26 Formal parameter estimation of active magnetic bearings, Selim Megzari 27 Modular all-terrain ingenious platform, Florian Vaussard 28

3 3 Laboratoire de Systèmes Robotiques, Prof. Reymond Clavel Scanner 3D pour l'analyse de semelles, Daniel Dörig 29 Dispositif de plusieurs micros robots mobiles contrôlés par un projecteur, Christophe Groux 30 Caractérisation et optimisation d une machine parallèle 3-axes d ultra-haute précision à articulations flexibles : concept MinAngle, Philipp Kobel 31 Réalisation d un Delta linéaire pour l assemblage horloger, Jérôme Parent 32 Porte trocart partie active NeuroGlide, Michaël Sigrist 33 Conception and Construction of a 3 DOF Optical Precision Sensor Integrated in Micro-Robots, Leos Urbanek 34 Porte-endoscope à lames flexibles (structure «Trilame»), Marc Weibel 35 Laboratoire de Systèmes Intelligents, Prof. Dario Floreano In Silico Evolution of Biochemical Networks, Fanny Riedo 36 Biologically Inspired Swarms of MAVs for Radio Communication Relay, Laurent Winkler 37 Laboratoire de nanophotonique et métrologie, Prof. Olivier Martin Simulation of Long-Range Surface Plasmons with the Finite Element Method, Claudio Dellagiacoma 38 Calculs des forces générées par des plasmons de surface sur des nano fils en or, Elodie Lamothe 39 Laboratoire d'actionneurs Intégrés, Prof. Yves Perriard SwissCube inertia wheel assembly mechanical part, Gavrilo Bozovic 40 Lost step detection on a stepper motor, Sébastien Huberti 41 SwissCube Inertia Wheel Assembly Electronics, Omar Scaglione 42 Precise Velocity Control of a Hard Disk Drive, Jan Stoeckli 43 Sunraycing-Optimisation du moteur électrique, Alex Vulliemin 44 Institut de Production et Robotique, Prof. Marcel Jufer EPFL Sunraycing Team: Project Management, Fundraising & Logistics, Friedrich Michael 45 Laboratoire de Microtechnique UNINE, Prof. Nico de Rooij Infrared Lock-In Thermography (LIT) of Thin Film Silicon Solar Cells, Lucie Castens 46 Online calibration method for an in situ ATP measurement device, Lukas Glutz 47 Space Center, Prof. Maurice Borgeaud System Engineering and development and test of the ADCS breadboard for SwissCube, Bastien Despont 48 SwissCube structural design and flight system configuration, Guillaume Roethlisberger 49 Laboratoire de gestion et procédés de production, Prof. Rémy Glardon Identification des stratégies commerciales d une entreprise par les modèles de files d attente, Mohammed-Bilal Chaabi 50 Optimisation du processus de gestion dans un réseau collaboratif suisse-chinois et développement d'une méthode d'évaluation pour des nouveaux membres, Mario Greber 51 Recherche de paramètres pour le frittage sélectif par laser de poudres métalliques, Raphaël Mollien 52 Analyse des paramètres opérationnels pour la fabrication par SLS d épreuves de contraintes résiduelles, Julien Moulin 53 Laboratoire des outils informatiques pour la conception et la production en mécanique, Prof. Paul Xirouchakis Simplified tilt, Frédéric Rochat 54

4 4 Laboratoire d automatique, MER Denis Gillet Collective motion stabilization and recovery strategies, Piyawat Kaewkerd 55 Virtual See-Through, Mabillard Jean 56 Laboratoire de mesure et d'analyse des mouvements, Prof. Kamiar Aminian Mesure de la cinématique 3D du genou par la fusion de capteurs inertiels et magnétiques, Julien Chardonnens 57 Effet de la rupture du LCA sur la biomécanique du genou : Mesures in vivo et analyses par éléments finis, Cyntia Duc 58 Movement analysis in horses, Stefan Marti 59 Laboratoire d'électronique générale, Prof. Michel Declercq Capteur de courant avec interface PC, David Stalder 60 Laboratoire d'électronique générale, Prof. Adrian Ionescu Conception et Simulation d un Transistor à Effet de Champs Nanoélectromécanique, Christoph Eggimann 61 Laboratoire d'optoélectronique des matériaux, Prof. Libero Zuppiroli Mélanges de lumière de LED et d OLED pour l éclairage : études de spectres et conception de sources hybrides, Pierre-Yves Vannay 62 Laboratoire de traitement des signaux, Prof. Pierre Vandergheynst Approximate pyramidal filter banks on the 2-sphere, Olivier Blanc 63 Laboratoire de modélisation systémique, Prof. Hubert Kirrmann Real Time Control Design & Implementation for a Riderless Bicycle, Amine Merdassi 64

5 5 Abstract of Master project February 23, 2007 SWITCHING OF SURFACE PROPERTIES BY APPLYING AN ALTERNATING ELECTRIC FIELD ON INTERDIGITATED STRUCTURED ELECTRODES Student : Supervisors : Bambad Afra M. Jenke, P. Hoffmann (STI-APL-NRG) Nano-structuring Research Group, Advanced Photonics Laboratory, EPFL Project objective: The goal of this project is to modify surface properties by means of applying an electric field on embedded electrodes. Some of the potential applications are: moving and handling of cells or particles in micro/nano fluidics, electrically switching of adhesion, etc. We are developing electrodes that introduce the possibility to create alternating electric fields that are homogeneous in time and 2D-space along the fabricated electrode surface. This new property allows us to explore non-linear properties of water-molecules in order to modify their interaction with the surface; and hence creating the possibility to modify surface wetting properties. Fig.2: Zoomed up image of the corner of an electrode (left) and image of a wafer with 30 large-surface electrodes (right). Fig.1: Finite element simulation results of potential field on a plane perpendicular to electrodes Techniques employed: APL-NRG: FEM simulations, contact angle measurements. CMI: KOH-etching, Ti / Pt evaporation. Ti / Pt and SiO 2 RF sputtering; RF-Plasma etching, Wet-oxide etching (BHF) Funding source: EPFL

6 6 STI-IOA-LOB Abstract Master Thesis February 23 rd 2007 Combined OCT and fluorescence imaging Cédric Blatter, Section Microtechnique Assistants: Supervisor: Professor: Bachmann Adrian, Villiger Martin Prof. Leitgeb Rainer Lasser Theo This project presents the design, realization and testing of a frequency domain fluorescence lifetime imaging system (FLIM) combined with an existing optical coherence tomography (OCT) setup. The goal is to achieve enhanced contrast measuring biological samples due to the complementarity of the two techniques. The developed modular system design allows probing a large variety of biological samples. The fluorescence is excitated either by a red laser diode or an interferometric light source in the blue, using acousto-optic modulators. The emitted light is coupled into a multimode fiber and detected by a PMT or alternatively directly by an APD placed behind a pinhole. The OCT and FLIM system image the sample through the same objective and acquire the signals simultaneously (Figure 1). The fluorescence lifetime can then be determined using the measured data. For characterizing the system, fluorescent beads of 4µm diameter were dispersed in a volume of agarose and measured with the combined system. The 2D fluorescence image almost perfectly corresponds to the OCT structure. For visualization, the region of interest in the 3D OCT image is projected along the optical axis (Figure 2). Figure 2: Top: DC fluorescence image. Center: projected OCT signal of the region observed by the FLIM system. Bottom: combined image of both methods. 100!m x 950!m. Furthermore, green algae (Valonia utricularis) exhibiting autofluorescence was imaged (Figure 3). This validated the system s capability to obtain additional contrast on biological samples due to the fluorescence lifetime. The promising results demonstrated the complementary nature of the two techniques enhancing the functional imaging capabilities of OCT and open up new perspectives in biomedical imaging. Figure 1: Scheme of the FLIM system The detected signal contains a DC part and a high frequency modulation. The latter is analysed by means of a lock-in amplifier. Figure 3: Fluorescence lifetime image of a biological sample. Combination of lifetime based on demodulation (H) and DC intensity (V) coded in HSV:0.5ns 4ns.

7 7 BIG Summary of the Master s project 23rd February 07 Denoising of MRS Signals Using Wavelet Methods Nicole Brüschweiler, Microengineering Assistants: Ildar Khalidov and Florian Luisier (EPFL), Anke Henning and Betina Schnepf (ETHZ) Professors: Unser Michael (EPFL), Bösiger Peter (ETHZ) Project Description In vivo Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is a non-invasive method that provides wealthy information on the metabolites of the subject. It can be used to monitor biochemical changes in tumors, stroke and epilepsy. Fig. 1: Noisy MR-Spectrum (in blue) and denoised spectrum (in red). The denoising was done using the SURE-algorithm and a Haar wavelet. The denoising algorithms were compared using the standard SNR and the weakest level of detection as a performance measure specific to MRS. It was further investigated if the denoising of MRS signals would lead to a better quantification of the metabolite concentrations. A further task of the project was to create a Graphical User Interface. The GUI allows the user to perform zero- and first-order phase correction, and to denoise the MRS signals using one of the investigated wavelet methods. Results The validation showed that the recently developed SURE algorithm presented a better performance in almost all the experiences. It further could be noticed, that the denoising algorithms performed better on the real-valued spectrum than on the complex FID. In this master project, denoising algorithms based on wavelets were applied to MRS signals. Besides the already well known wavelet shrinkage method, also a recently developed SURE-algorithm was implemented. The denoising was done on the complex FID and the real spectrum using standard wavelets and the newly developed Exponential Spline Wavelet. Prior to the validation of the denoising methods, the influence of the poles of the ESWs had to be investigated. Fig. 2: Part of the User Interface allowing performing zero- and first-order phase correction.

8 8 LIB Résumé de Travail pratique de Master Fitting of 3D-PSF models to fluorescent microbead stacks Raphael Frey, Section Microtechnique Assistants: Professeur: Cédric Vonesch, François Aguet Michael Unser Introduction Pour comprendre les processus cellulaires à l échelle moléculaire, la recherche dans le domaine biologique dépend largement de la microscopie optique. Dans quelques cas même des appareilles sophistiqués comme la microscope confocal ne fournissent pas une résolution suffisante. Dans ces cas on va traiter ces images par des processus de traitement d image par exemple avec une algorithme de déconvolution. Pour une déconvolution optimale on a besoin de connaître les propriétés de formation d images d un microscope. Ces propriétés se laissent bien décrire par la réponse impulsionelle (point-spread function PSF) du système optique du microscope. De plus on peut obtenir une telle réponse en regardant des billes fluorescentes sous un microscope. Une telle PSF est montré dans la Figure 1 (à gauche). Figure 1 : L image d une bille fluorescent section x-z (à gauche) et la simulation d une PSF (à droite) Modèle d une PSF 3D Une PSF analytique découle de la théorie de Maxwell sur les ondes électromagnétique. Dans sa forme finale la PSF se laisse décrire avec la formule suivante : Equation1 : Equation pour une PSF, où r et z représentent les coordonnées cylindrique, NA représente l ouverture numérique de l objective, W est l aberration sphérique de l objective et! est le rayon maximale de la pupille d entrée. J 0 est une fonction de Bessel. Adaptation de la PSF à un stack 3D des billes fluorescente Dans la suite on essaie de minimiser l erreur quadratique entre des acquisitions réelles et la PSF analytique. On a essayé de trouver ce minimum de l erreur avec un algorithme décrite par Newton/Raphson. Finalement c était possible de trouver avec cet algorithme les paramètres clés d un système optique. Notamment la position d une bille, son amplitude, et l ouverture numérique et l aberration sphérique de l objective utilisé. Au cas montré dans la Figure 1 par exemple, on a trouvé les valeurs suivantes : NA=1.477 et W=-363nm. La valeur nominal de NA était Si on pouvait adapter une PSF analytique aux images pris par le microscope, on aurait accès aux caractéristiques du système optique.

9 9 BIG Résumé de Travail pratique de Master Deconvolution en 3D Une extension ImageJ Guillaume Schmit, Section Microtechnique Assistant: Professeur: Cédric Vonesch Unser Michael Lors de ce projet, une extension permettant de déconvoluer des images 2D et 3D a été développée pour le logiciel libre de traitement d images "ImageJ". Il permettra ainsi de déconvoluer des stacks d images souvent utilisés en microscopie biomédicale. La déconvolution est une étape importante dans le traitement d images biologiques, puisqu elle permet d améliorer la qualité des images en faisant ressortir les détails qui ont été rendus flous par le système optique du microscope tout en atténuant le bruit introduit par les capteurs optiques. la transformée de Fourier discrète parmi les plus rapides. Le plugin fournit également les fonctionnalités nécessaires à la quantification des performances d un algorithme ; il permet par exemple d évaluer les SERs (rapport signal sur erreur), et d en fournir un fichier lisible par Matlab, facilitant ainsi la visualisation de l évolution temporelle des performances. Ce dernier aspect a également permis de comparer efficacement les performances des différents algorithmes implémentés. L interface graphique de l extension Les algorithmes de déconvolution implémentés sont d un côté les algorithmes classiques tels que l algorithme de Landweber ou l algorithme de Thikonov- Miller, et de l autre côté des algorithmes plus récents comme ForWaRD, ou l algorithme de Richardson-Lucy. Des fonctionnalités supplémentaires ont également été introduites. Il est ainsi possible d appliquer le processus de déconvolution avec la configuration actuelle seulement sur une petite région sélectionnée de l image, afin d en tester les performances sans perte de temps excessive. D autre part, le plugin (programmé en Java) offre la possibilité d utiliser la librairie FFTW ( une librairie C fournissant une exécution de L image "mri-stack" convoluée par un cube et bruitée d un bruit gaussien (BSNR0=40dB), et sa version déconvoluée par une méthode de moindres carrés régularisée, optimisée par un estimateur non-biaisé de risque. Finalement, nous pouvons affirmer que le plugin développé constitue une alternative économiquement intéressante (car gratuite) aux chercheurs et laborantins nécessitant un logiciel permettant de déconvoluer des images bi- ou tridimensionnelles.

10 10 STI/IMM/LMIS2 Abstract of the Master Thesis Oct March 2007 Development of a Microfluidic Chip Including a Nanochannel for Resistive Pulse Detection Mariam Benabderrazik, Microengineering Assistant: Professors: Christophe Yamahata (Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Japan) Martin Gijs (EPFL); Hiroyuki Fujita (University of Tokyo) Motivation Kumemura et al. have demonstrated the isolation and trapping of a single double stranded DNA molecule in a microfluidic chip [1]. However, the detection of DNA molecule was achieved by fluorescent imaging. The purpose of this project was to develop a microfluidic chip capable of performing this detection electrically in order to further automate and enhance the reproducibility of these experiments. Working principle and fabrication The resistive-pulse detection method (Coulter counter principle) has been implemented in a miniaturized fluidic device (Fig. 1). The polydimethylsiloxane (PDMS) layer, containing a nanochannel (down to nm 2 cross-section) and large microstructures, was obtained by moulding. The master was fabricated by electron-beam direct writing (nanostructures) and SU-8 photolithography (high aspect ratio microstructures). Figure 2: Resistive-pulse measurements. Characterization When a bead goes through the nanochannel, the resulting change of resistance can be detected with a Current Amplifier. An example of the typical measurements obtained with this setup is illustrated in Fig. 3. Tested solution PDMS Reservoir Electrodes on glass Nanochanel Glass Figure 1: Schematic diagram of the device. For the characterization of the system, we have used polystyrene beads of different diameters in combination with nanochannels of various sizes. A constant DC voltage was applied across the nanochannel through integrated platinum electrodes (Fig. 2). Figure 3: Measurements of current amplitudes compared with theory. Inset: Current pulse of a 20 nm bead in case of a nm 2 nanochannel (case 3). [1] Momoko Kumemura et al. Single DNA isolation and trapping in a microfluidic device (Article submitted), 2007.

11 11 IMM LMIS2 Summary of master project 23 rd februray 2007 Realization of a microfluidic chip for optical detection of glucose / oxygen Jonas Flueckiger, microtéchnique Supervision: Jean-Baptiste Orhan Professor: Martinus Gijs Accurate measurement of blood glucose concentration is essential in the diagnosis and longterm management of diabetes. During the last years a lot of different detection principles have been proposed. The detection principle presented in this work is based on an enzymatic reaction where glucose is degraded to water and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). This reaction takes place in a first microchannel where the enzyme Glucose Oxidase (GOx) is immobilized on the channel wall. H 2 O 2 decomposes spontaneously to water (H 2 O) and oxygen (O 2 ). The amount of produced dissolved oxygen is then detected in the second microchannel by fluorescence quenching of an oxygen sensitive ruthenium complex [Ru(dpp) 3 ] 2+. Fig. 1: Detection of fluorescence intensity change by means of optical fibers. The ruthenium complex is immobilized on the channel wall. SEM picture of microchannels in SU-8. This fluorochrome is immobilized in the same way on the channel wall as the GOx in the first channel. The fluorescence intensity change which is correlated to the oxygen concentration in the fluid according to the Stern-Volmer equation is measured by means of optical fibers. The optical detection of oxygen was the main part of this project. The chip design was realized using SU-8 photolithography techniques. This structure was then used as master for replica molding to transfer the pattern onto a poly(dimethylsiloxane) (PDMS) surface. The three dimensional fluidic network is build up by bonding of different PDMS layers. An integral part of the project was the channel wall surface modification process or the immobilization of the ruthenium complex and the enzyme GOx. Through a sol-gel process a borosilicate glass coating was applied which contained the molecules. The sol-gel process is a relatively straightforward way through a set of simple chemical reactions and involves the transition of a system from a liquid (a colloidal suspension) called sol into a solid (a network in a continuous liquid) called gel. The gel was dried out by a temperature treatment. The advantage of this process is the fact that enzymes or other temperature sensitive molecules can be immobilized in the resulting solid matrix because the temperature does not exceed 200 C during the treatment. The properties of the coating were investigated by atomic force measurement (AFM), contact angle measurement (sessile drop method) and diffusion measurement. The fluorescence intensity response was tested by exposing the coating containing the ruthenium complex to alternating O 2 -N 2 environment. Fig. 2: Fluorescence intensity response to an alternating N 2 -O 2 environment.

12 12 LMIS4 Résumé de Travail pratique de Master Création d un modèle physiologique pour l amélioration de l encodage de la musique dans les implants cochléaires (IC) Assistants: Florent Cosandier, Section Microtechnique Fei Chen, Tian Guan Professeurs: Yuan-Ting Zhang, Philippe Renaud Ce projet a été réalisé à l université chinoise de Hong Kong (CUHK), dans le laboratoire d ingénierie biomédicale. Le but principal du projet est de créer un modèle physiologique de la cochlée humaine afin de pouvoir simuler et comparer différents algorithmes de codage de l information, musicale en particulier. Dans un premier temps, un modèle anatomique fidèle de la cochlée humaine (scala tympani) est crée à partir de données telles que le rayon moyen de l organe pour chaque section, ou encore de l équation paramétrique de la fibre centrale de la cochlée. toutes les autres stratégies sont dérivées, ou presque. Schéma block de la stratégie proposée Une nouvelle stratégie est en outre proposée. Baptisée VirtuMobEL, elle bénéficie de trois améliorations : un banc de filtres passe-bande à fréquences de coupure variables au cours du temps, un banc de filtres passe-bas à fréquence Modèle de la cochlée humaine Ensuite, une matrice est déterminée à partir du modèle anatomique. Elle contient les coefficients d atténuation du courant des électrodes pour chacun des nerfs auditifs, basés sur les distances nerfs/électrodes. Aussi, le courant sommé sur un nerf va générer un PA. A partir des PAs, un signal sonore est reconstruit conformément à l organisation tonotopique de la cochlée. Parallèlement, différents types de stratégies pulsatiles de codage des ICs sont implémentées, également avec Matlab. Notamment le Continuous Interleaved Sampling, dont Déplacement de l électrode virtuelle de coupure variable sur les canaux et enfin un algorithme qui déplace virtuellement les électrodes vers le centre de densité de puissance du canal par ajout d un courant négatif différentiel sur les électrodes adjacentes. De plus, le courant est ainsi mieux focalisé.

13 13 CMI-LMIS4 Résumé de Travail pratique de Master 23 février 2007 Design, Fabrication et Caractérisation de micro-miroirs MEMS à actionnement magnétique Camille Gabioud, Section Microtechnique Assistant: Professeur: Faouzi Khechana Renaud Philippe Les micro-miroirs suscitent un intérêt croissant dans de nombreuses applications: scanner de code-barres, micro projection, tomographie optique (OCT) ou spectroscopie optique. Les spécifications de ces miroirs sont: large bande passante, planéité du miroir, grand angle de déflexion du miroir et faible consommation. Ce projet s est concentré sur les miroirs à actionnement magnétique: la loi de Laplace r r r F =! Il " B est appliquée par l interaction d un champ magnétique permanent et d une boucle de courant disposée sur le plateau du miroir. Photo SEM du miroir 1D Les dimensions des miroirs obtenus varient entre 800x800µm 2 et 2x2mm 2. Ils fonctionnent à des fréquences de résonance entre 3kHz et 21kHz et parviennent à des angles optiques jusqu à 40. Miroir actionné par Laplace. Miroir encapsulé dans un circuit magnétique permanent Simulation FEM du miroir 2D Seuls les miroirs à un axe de rotation ont été fabriqués en salle blanche et caractérisés. Ils nécessitent un procédé de trois masques seulement, et sont en silicium monocristallin. Le facteur de qualité mesuré varie entre 250 et 500, selon l importance de l amortissement dû à l air autour du miroir. Les miroirs sont très résistants et sont aisément encapsulables.

14 14 LMIS4 Résumé de Travail Pratique de Master Design and Fabrication of a Test Board for Electrophysiology Monitoring and MLS Dielectric Spectroscopy of Neurons on a 120-Electrodes MEA Biochip David Schmid, Section Microtechnique Assistants: Professeur: Marc Heuschkel, Shady Gawad Philippe Renaud This project describes the conception, design and fabrication of a test-board for Electro- Physiology (EP) and Dielectric Spectroscopy (DS) monitoring of living cells on a electrodes multi-electrode array (MEA) biochip. The aim is to combine two monitoring techniques into a high content screening platform. The test-board has different configurations, which have to be analysed to find the best concept for each monitoring principle. One configuration is the multiplexed EP measurement where the signal enters an analog multiplexer non-amplified or after a pre-amplification stage. A classic EP stage is as well implemented to compare the new concept to the existing one. A differential and a simple dielectric spectroscopy stage are also mounted to measure the physical aspects of the cell. The stimulation of the cell can be done through the large ground electrode in each well. The signal can either be created with a LCR meter or by a maximum length sequence (MLS). It is possible to stimulate each electrode separately for evoked EP recording or to measure the specific resistance of all electrodes. The adaptor PCB and the test-board have been realized and a program for control of the digital outputs has been written. Preliminary tests have shown that the multiplexers work well but that still some debugging work has to be done to fully characterize the resulting system. Resulting test-board including chip-holder and different EP and DS recording concepts on one single platform. Modified MEA biochip interface (PCB) for compatibility with the test-board.

15 15 LMIS4 Résumé de Travail pratique de Master Le 23 février 2007 Intégration de biocapteurs on chip pour l analyse d échantillons d eau contaminée en arsenic Joël Theytaz, Section Microtechnique Assistants: Professeur: Ronit Marabi, Thomas Braschler Renaud Philippe A l heure actuelle, de larges populations utilisent de l eau potable contaminée par des concentrations d arsenic beaucoup trop élevées. Afin d obtenir des mesures de concentration d arsenic précises et aisément répétables, le Département de Microbiologie Fondamentale de l UNIL a développé des capteurs biologiques bactériens qui réagissent spécifiquement à l arsenic contenu dans l eau en produisant des protéines de marquage facilement détectables, comme par exemple la GFP. La production de GFP est donc contrôlée par la quantité d arsenic rencontrée, et les mesures de concentration s obtiennent en mesurant les intensités de fluorescence émises par les bactéries. Fig. 1 Principe de fonctionnement des chips à filtres. A) Chargement des biocapteurs contre le filtre. B) Induction du tas de biocapteurs avec un flux d eau contaminée. L objectif principal du projet consistait à intégrer des biocapteurs producteurs de GFP dans des chips microfluidiques, afin d effectuer des mesures de concentration d arsenic contenu dans des échantillons d eau. Dans cette optique, plusieurs chips offrant différentes méthodes d induction des biocapteurs ont été fabriqués. La technique la plus mise en application consiste à accumuler les biocapteurs dans une chambre de détection grâce à l implémentation de filtres on chip, puis de les induire avec l échantillon contaminé (Fig. 1). La fabrication des filtres est possible grâce à l utilisation de zones sacrificielles en Si amorphe, qui sont sous gravée en fin de procédé, créant ainsi les mailles des filtres. La taille des mailles étant contrôlable, les filtres se montrent redoutablement efficaces pour le piégeage des bactéries, ainsi que pour leur induction (Fig. 2). Par ailleurs, les chips étant destinés à une utilisation au Département de Microbiologie de l UNIL, un nouveau dispositif d utilisation des chips, simple et adapté au microscope confocal à disposition, a été développé. Fig. 2 Image normale (à gauche) et image en fluorescence (à droite) d'une chambre de détection chargée en biocapteurs. Les différents chips réalisés ont été testés avec les biocapteurs producteurs de GFP, et plusieurs courbes de mesure d intensité de fluorescence ont été établies. Ces mesures sont effectuées soit en fonction de la durée d induction pour une concentration donnée (Fig. 4), soit en fonction de la concentration pour un temps d induction donné. La calibration de ces mesures est discutée et diverses propositions d amélioration sont exposées. Fig. 3 Intensité de fluorescence émise par les biocapteurs piégés dans une chambre de détection en fonction de la durée d'induction pour un échantillon d'eau contaminée en arsenic à une concentration de 1 um.

16 16 STI IMM - LMTS Résumé de Travail pratique de Master 23 Février 2007 Biologically inspired micro-drill for future planetary exploration François Guélat, Section Microtechnique Assistant: Professeur: Samuel Rosset Herbert R. Shea There is interest in digging and sampling for astrobiological research (for example biomarker detection). A difficulty of drilling in low gravity environment with conventional methods is the high axial force needed. A biomimetic drill has been design, inspired from wood wasp ovipositor. Two parts are sliding against each other in a reciprocal and cyclic motion. One part provides reaction force to drive the other into the ground without any external force. Thermal microactuators are used for the motion. A current heats parallel arms and expansion produces a displacement of the drill. The reverse motion is obtained by cooling the arms by conduction in the substrate. Reciprocating movement is obtained by successive heating and cooling cycles of the parallel arms. Displacements of 16µ m in air and 25µ m can be reach. Tip of wood wasp ovipositor. Digging is realized with a linear and reciprocating movement of the two parts of the tip. SEM image of the microfabricated drill tips. SEM images of the microfabricated system : one part of the drill is fixed and the second part slides with a reciprocating movement (left). The drill is moved by a thermal microactuator. The parallel arms are heated with a current flow and expansion produces a displacement of the central beam (right). displacement [um] displacement of the tip phase [ ] Displacement of the tip during one cycle for actuation at 35 Hz in air. The drill moves when arms are heating and comes back to initial state when cooling.

17 17 LPM-IPR-STI Résumé de projet de Master 23 février 2007 Conception d une nouvelle mire de calibration pour des systèmes de vision Assistants: Julien Gfeller, Mario Bellino Professeur: Jacques Jacot Lionel Flaction, Microtechnique L entreprise Ismeca Semiconductor SA basée à la Chaux-de-Fonds est spécialisée dans la production de machines de tri et d emballage de composants SMD. Elle souhaiterait diminuer le coût de fabrication des mires de calibration qu elle propose à ses clients pour calibrer leur machine et caractériser la conformité de leurs composants. Une mire de calibration a pour fonction de permettre l analyse métrique d une image en servant de référence-étalon. Elle contient généralement plusieurs repères de calibration(points de référence situés sur la mire). Par un algorithme de calibration, il est possible de déterminer la résolution du système, facteur liant le monde réel à celui de l image. Afin de proposer une alternative financièrement acceptable, une recherche de méthodes de fabrication a été entreprise. Pour choisir efficacement une méthode de fabrication plutôt qu une autre, une analyse de différents paramètres influençants la résolution nous a permis de déterminer les besoins nécessaires pour satisfaire les exigences du cahier des charges de ce projet. Par simulation numérique du processus de calibration, la précision avec laquelle la résolution a été déterminée a pu être calculée afin d estimer les performances des différentes méthodes de fabrication. Trois méthodes de fabrication ont été retenues pour réaliser les premiers prototypes de mires. Il s agit de la sérigraphie sur céramique, de l électroformage et de l usinage chimique. Ces méthodes ont d une part l avantage d offrir la possibilité de réaliser toute une série de pièces en parallèle, diminuant ainsi fortement leur coût de fabrication. D autre part, elles assurent une bonne répétabilité de fabrication. La figure 3.1 illustre trois types de mires réalisés mm Figure 1: Mires à nombre de repères variant, réalisées par électroformage, usinage chimique et sérigraphie (de gauche à droite). Afin de caractériser expérimentalement leurs performances, une première série de mesures de calibration a pu être effectuée dans l entreprise. Les résultats obtenus sont positifs. Les trois méthodes de fabrication possèdent les performances techniques nécessaires pour garantir la précision de résolution défini dans le cahier des charges. De plus, les mires réalisées permettent une calibration sous trois éclairages différents, et ont un coût de fabrication environ 10 fois inférieur à celui proposé dans le cahier des charges. Cependant, des mesures supplémentaires, notamment sur une machine de contrôle de composants, doivent être effectuées afin de guider notre choix sur l un ou l autre des ces trois types de mires.

18 18 LPM-IPR-STI Résumé de projet de diplôme 22 février 2007 Système de vision pour le contrôle d état de surface de lames par scattering Assistants: J. Gfeller, A. Dufaux Professeur: Jacques Jacot Jonas Hiller, Microtechnique L entreprise BTG à Eclepens produit des lames pour l industrie du papier. Ces lames sont utilisées lors de la fabrication du papier pour appliquer une couche calcaire sur le papier de base. Cette étape est très sensible aux défauts de surface de la lame. Lors de leur fabrication, les lames passent par une étape de rectification, laissant des stries sur la surface de la lame. Pour enlever ces stries et pour garantir au client un bon état de surface, BTG polit ces lames. Ce projet consiste en la conception d un dispositif de contrôle de cet état de polissage. Comme technique de mesure le scattering a été empolyé. Elle consiste en l observation de la réflexion d un faisceau laser sur la surface à contrôler. La lumière réfléchie est projetée sur un écran, puis observée par une caméra. Par une optique focalisant sur l écran, la réflexion de la lumière laser correspond à la transformée de Fourier optique TFO de la topographie de la lame. Par la projection inclinée sur l écran, les stries du polissage et de la rectification apparaissent comme des courbes, présentant des intensités variant selon l état de polissage de la lame. Un programme analyse les paramètres importants de l image, en dérive les caractéristiques de la surface et les enregistre dans un fichier protocole. Figure 3: Images pour un état de polissage mauvais et bon. Figure 1: Principe simplifié du scattering : Réflexion du laser sur la surface d une lame présentant des stries de rectification et de polissage. Figure 2: Principe optique pour mesurer une grande zone de la lame. Des tests ont montré, qu avec la technique du scattering il est possible de différencier une lame bien polie d une mauvaise et même d attribuer des états de polissage intermédiaires aux lames. Effectuant la TFO de la surface, le scattering permettrait même une détection de défauts comme des piqûres et des rayures sur la lame. Le prototype réalisé est installé en ligne après le processus de polissage et effectue des mesures environ cinq fois par seconde. Les mesures étant très sensibles à l état de propreté des lames, il faut installer un système de nettoyage fiable avant le contrôle par le scattering. Le scattering est une technique de mesure très robuste, facile à implémenter et bon marché. Elle permet de faire des mesures rapides et répétitives, même sur des lames en mouvement. Cette solution remplit ainsi toutes les exigences posées par BTG.

19 19 LPM-IPR-STI Résumé de projet de Master 23 février 2007 Mesure 3D par vision pour composants SMD àgéométrie complexe Assistant: Julien Gfeller Professeur: Jacques Jacot Stefan Perren, Microtechnique Ce projet consiste en la modélisation et l analyse d un système de mesure 3D par vision pour des composants SMD à géométrie complexe. L entreprise Ismeca souhaitant avoir à disposition un appareil de mesure tridimensionnel flexible et performant, un nouveau modèle pour le caractériser a été développé. De plus, l influence des paramètres inhérents au système sur la résolution de mesure a été analysée. Il s agit des paramètres liés à la géométrie et au système optique ainsi que des caractéristiques de l élément structurant la lumière et de la caméra. lumière caméra structuration plan Plan lumière Figure 1: Principe de la mesure 3D par projection de lumière structurée. La figure 1 montre le principe de la projection de lumière structurée pour la mesure de la troisième dimension. La nouvelle modélisation se base sur le fait qu un point de mesure dans l espace est défini par l intersection de deux objets géométriques. Il s agit de l intersection entre un plan, qui correspond à une rangée de pixels de l élément structurant, et une droite correspondant à un pixel de la caméra (voir figure 2). En utilisant un algorithme de lancer de rayons exacts ( Exact Ray Tracing ) pour déterminer ces objets géométriques dans l espace, on prend directement en compte les paramètres géométriques et optiques (par exemple les aberrations) du système. Les paramètres suivants et leur influence sur la résolution de mesure en hauteur ont été analysés : l angle entre l axe optique de projection et la verticale la télécentricité, les aberrations optiques, la pro- Figure 2: Intersection entre un plan et une droite. fondeur de champ et la fonction de transfert de modulation du système optique la résolution et la discrétisation en intensité de l élément structurant la lumière et de la caméra Il a pu être démontré que la résolution en hauteur se trouve entre deux limites : une limite supérieure définie par la discrétisation spatiale de l élément structurant ainsi qu une limite inférieure donnée par le nombre de niveaux de gris de la caméra. La valeur exacte de la résolution dépend du montage choisi et doit être déterminée expérimentalement. Le démonstrateur réalisé permet de faire des premiers tests de répétabilité et de précision basés sur le nouveau modèle. Des séries de mesures d une différence de hauteur de 100µm (figure 3) ont démontrées que l on se trouve entre les deux limites prédites. z [µm] mesure Figure 3: Deux séries de mesure à deux hauteurs différentes ( z = 100µm), précision : 7µm.

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